淬火凸輪軸表面硬度檢測工裝的設(shè)計(jì)

姜如松 趙澤輝 文 春

(①湖南衡陽財(cái)經(jīng)工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽421002;②湖南衡陽南岳油泵油嘴有限公司，湖南 衡陽421007)

凸輪軸是發(fā)動(dòng)機(jī)燃油供應(yīng)系統(tǒng)中高壓油泵總成上重要的傳動(dòng)件，依靠它傳遞的動(dòng)力加壓燃油，并使之噴射進(jìn)入汽缸與空氣混合，進(jìn)而完成燃燒這一由化學(xué)能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換而做功，因此凸輪軸的質(zhì)量控制尤為嚴(yán)格。某公司的凸輪軸的簡圖如圖1所示，凸輪外形如圖2所示。凸輪外形由1平面和4個(gè)圓柱面構(gòu)成，包括凸輪軸的基圓弧DE、升程直線面EA、噴油圓弧AB、保持圓弧面BC和回程圓弧面CMD。

凸輪軸的材料為20 Cr，熱處理技術(shù)要求為滲碳層深度1.30～1.80 mm，表面硬度60～64 HRC。凸輪軸的加工工藝:鍛造、正火→粗車→滲碳、淬火、回火→磨削→成品。

凸輪軸的工作過程:凸輪逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，在基圓弧DE，凸輪承受壓力大小不變;在升程直線面EA段，壓力逐漸增大;在升程噴油圓弧AB段，壓力繼續(xù)增大，但增大的幅度逐漸減小，直到在B點(diǎn)壓力達(dá)到最大值;保持圓弧面BC段，保持最大壓力不變，防止回油;回程圓弧面CMD段，只承受彈簧的壓力直到最低值，同時(shí)完成吸油工作。

在五段圓弧、線段構(gòu)成的凸輪上，EA、AB和BC是它的加壓工作段，從質(zhì)量控制的角度上，主要應(yīng)檢測這三段的硬度。

1 檢測工裝的設(shè)計(jì)

該工裝的使用設(shè)備是HR-150A型手動(dòng)洛氏硬度計(jì)。

1.1 原有的檢測工裝

凸輪軸在該公司生產(chǎn)已有30多年歷史，一直采用圖3所示的經(jīng)過修整的V形鐵做凸輪軸的檢測工裝。該工裝結(jié)構(gòu)簡單，可以保證箭頭F指向的穿過兩個(gè)圓心的連線與硬度計(jì)工作臺(tái)升降螺桿中心線的同軸度。該夾具用于檢測B點(diǎn)處的硬度。

使用該工裝的準(zhǔn)備工作很簡單，只需清理掉凸輪上淬火的油污和毛刺即可。缺點(diǎn)是檢測位置太窄，能夠檢測的表面硬度的次數(shù)有限，因此檢測結(jié)果不一定能反映凸輪的真實(shí)情況;B點(diǎn)的定位基準(zhǔn)不確定，與V形鐵接觸的是凸輪的圓弧面，B點(diǎn)的位置主要靠經(jīng)驗(yàn)來判斷;試驗(yàn)時(shí)凸輪B點(diǎn)位置安放不準(zhǔn)的話可能導(dǎo)致凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，個(gè)別時(shí)候甚至?xí)霈F(xiàn)損壞硬度計(jì)壓頭的情況。

1.2 第1種工裝設(shè)計(jì)方案

如圖4所示。以凸輪的直線平面EA和回程圓柱面CMD的一個(gè)切線面作為定位基準(zhǔn)，夾具要確保回程圓柱面CMD的圓心X與硬度計(jì)工作臺(tái)升降螺桿中心線重合。該工裝在保證基準(zhǔn)不變的情況下，配套使用一旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，使V形鐵兩邊可以繞X點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，能測量多點(diǎn)處的硬度。這樣克服了原先設(shè)計(jì)方案的測量位置窄和測量時(shí)凸輪可能轉(zhuǎn)動(dòng)的缺點(diǎn)。是一個(gè)比較好的替代原先設(shè)計(jì)的方案。缺點(diǎn)是另外配置的V形鐵的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜。

1.3 第2種工裝設(shè)計(jì)方案

如圖5所示。以凸輪軸的兩凸輪間的軸頸表面和回程面CMD的一個(gè)切線面為基準(zhǔn)，測量升程直線面EA的硬度［1］。按照我們的設(shè)計(jì)計(jì)算，與凸輪回程面相切的楔鐵塊2的楔角為46.5°(與水平面間的夾角，取銳角)，為了加工的方便，我們選取該角度α為45°。在夾具裝配過程中，我們以一根已完成精磨加工的成品凸輪軸做為標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)整楔鐵塊的位置，目的是使直線面EA呈水平狀態(tài)進(jìn)行硬度測試。

該設(shè)計(jì)方案能測量凸輪的升程面EA，這個(gè)面的面積寬廣，又是凸輪的主要工作面，能滿足圖紙對該凸輪的測量位置的技術(shù)要求，也能適應(yīng)多次硬度檢測。缺點(diǎn)是在熱處理過程檢驗(yàn)時(shí)，需要把凸輪之間的軸表面的油污和毛刺清除掉，工人的工作量有所增加。

對比方案1、2，方案2的工裝夾具結(jié)構(gòu)簡單，具備更多的測量位置，更能準(zhǔn)確反映凸輪的實(shí)際硬度和凸輪軸的熱處理生產(chǎn)狀況，采用它有優(yōu)勢。

2 夾具誤差分析

2.1 測試平面位置變化分析

凸輪軸的凸輪之間的軸頸部位在滲碳淬火后無需磨削，沒有加工余量的設(shè)計(jì)。凸輪表面在滲碳前有0.20 mm的單邊磨削加工余量，粗車時(shí)加工誤差為±0.05 mm。所以在設(shè)計(jì)方案2中，V形鐵的定位不會(huì)由于檢測的凸輪的加工狀態(tài)發(fā)生改變，而CMD圓弧由于磨削加工余量的存在，使得定位位置出現(xiàn)變化，這樣檢測時(shí)直線面EA不再是水平狀態(tài)，因此會(huì)使測量的結(jié)果出現(xiàn)誤差。

工裝夾具制作、安裝調(diào)試好后，V形鐵和楔鐵塊的位置不能再變動(dòng)，因此，楔鐵塊總是處于與CMD圓弧相切的位置。實(shí)際淬火檢測時(shí)凸輪有磨削加工余量，即是CMD圓弧的半徑要增大，按照圖紙?jiān)O(shè)計(jì)在誤差分析時(shí)取極大值［2］:0.20+0.05=0.25 mm。

表面硬度檢測時(shí)，圓弧CMD的圓心X與凸輪軸的軸心O間距不會(huì)變化，只是CMD圓弧的圓心X繞軸心O點(diǎn)發(fā)生旋轉(zhuǎn)。此時(shí)與楔鐵塊接觸的CMD圓弧面的位置由安裝調(diào)試工裝時(shí)的位置M點(diǎn)旋轉(zhuǎn)到N點(diǎn)。

采用制圖法來確定N點(diǎn)的位置。如圖6(a)所示，連接CMD圓弧的圓心X和CMD圓弧與楔鐵塊的切點(diǎn)M。在CMD圓弧的圓心X作楔鐵塊斜面的平行線(圖中的虛線)，再以此平行線為基礎(chǔ)向左作等距平行線，距離為CMD圓弧半徑的增加量，即加工余量與誤差之和0.25 mm。以軸心O點(diǎn)為圓心，以CMD圓弧圓心X與軸心O間的距離為半徑作圓弧。圓弧與左側(cè)的等距平行線有一交點(diǎn)Y。在此交點(diǎn)Y作XM的平行線YN，與楔鐵塊的斜面相交于N點(diǎn)。N點(diǎn)即為有加工余量的CMD圓弧與楔鐵塊接觸點(diǎn)。

通過對M、N兩點(diǎn)的分析可知，存在加工余量的凸輪與理想狀況(精磨后)的凸輪在夾具上安裝后有一個(gè)逆時(shí)針的旋轉(zhuǎn)，即逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)∠MON。∠MON經(jīng)CAXA繪圖軟件的計(jì)算為0.383°。

由于凸輪的這一旋轉(zhuǎn)，使E、A點(diǎn)都繞軸心O點(diǎn)旋轉(zhuǎn)同一角度。如圖6b所示，旋轉(zhuǎn)后A點(diǎn)比原來的位置提升AK=0.08 mm，E點(diǎn)繞軸心O旋轉(zhuǎn)后的位置變化計(jì)算值為0.03 mm，再計(jì)算到其在垂直方向的下降可忽略［5］。

加工余量和尺寸誤差的存在使凸輪旋轉(zhuǎn)后，EA的位置變化到FH，如圖6b所示。E點(diǎn)提升到F點(diǎn)，EF的長度根據(jù)誤差分析取極小值0.20-0.05=0.15 mm。AH的長度包括A點(diǎn)本身的旋轉(zhuǎn)上升高度AK、加工余量與加工誤差之和KH，取極大值長度KH=0.20+0.05 mm。

在這種極端情況下EA面就變成了FH面，在平面圖中就構(gòu)成了直角梯形EFHA。如圖6b所示，F(xiàn)H線和EA線的夾角為∠GFH。

∠GFH大小計(jì)算:arctan(GH/GF)=arctan［(KH+AK-EF)/EA］=arctan［(0.25+0.08-0.15)/12.5］≈0.83°(GF長度等于EA)。

2.2 夾具測試精度

從以上分析可知，夾具在正常使用過程中其檢測表面與硬度計(jì)壓頭的中心線有一個(gè)傾斜角，這個(gè)角度最大值為0.83°。參照硬度試驗(yàn)的國家標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)資料，沒有發(fā)現(xiàn)有關(guān)試樣待測表面與壓頭中心線的不垂直度要求的內(nèi)容。

按照C標(biāo)尺的洛氏硬度測試的原理，我們把測試的壓力1 500 N沿與EA平行(水平方向)和垂直的方向分解，垂直方向的作用力就是硬度測試需要的作用力，其大小為1 500×cos0.83°，壓力大小改變不足萬分之一。我們認(rèn)為不會(huì)影響測試的硬度值［3-4］。

3 生產(chǎn)運(yùn)用與結(jié)論

(1)按照設(shè)計(jì)方案二設(shè)計(jì)的夾具，裝配時(shí)用精磨后的凸輪軸來調(diào)校，在檢測淬火凸輪軸過程中，存在設(shè)計(jì)時(shí)水平的直線升程面EA會(huì)發(fā)生0.83°的傾斜，從而導(dǎo)致該面不垂直于硬度計(jì)壓頭中心線的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象并不影響硬度測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(2)按照設(shè)計(jì)方案二設(shè)計(jì)的夾具，克服了原來的V形鐵工裝的操作難題。可以在一次打磨后檢測成功。檢測結(jié)果能很好地反映凸輪軸的熱處理淬火生產(chǎn)。表面上看，檢測時(shí)使用新設(shè)計(jì)的夾具試樣工件需打磨的部位增加了，但是不會(huì)出現(xiàn)多次打磨試樣的現(xiàn)象，和原來的V形鐵夾具比起來，打磨次數(shù)少了，操作也變得簡單，總的工作量是減少了。

［1］洪惠良.夾具設(shè)計(jì)［M］.4版.北京:中國勞動(dòng)和社會(huì)保障出版社，2011:26-33.

［2］蘇建修.機(jī)械制造基礎(chǔ)［M］.2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，237-242.

［3］GB/T 230.1—2004金屬洛氏硬度試驗(yàn)［s］.第1部分:試驗(yàn)方法.

［4］GB/T 230.3—2012金屬材料洛氏硬度試驗(yàn)［s］.第3部分:標(biāo)準(zhǔn)硬度塊.

［5］關(guān)雄飛.CAXA制造工程師應(yīng)用技術(shù)［M］.1版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社:35-40.